JP2014035109A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱源を利用して効率のよい暖房運転を行うことができるヒートポンプ装置を提供する。
【解決手段】第１圧縮機５、凝縮器としての第１加熱熱交換器６、第１減圧手段７、地中熱を利用する蒸発器としての地中熱源熱交換器８を第１冷媒配管９で環状に接続した第１ヒートポンプ回路１０と、第２圧縮機１１、凝縮器としての第２加熱熱交換器１２、第２減圧手段１３、空気熱を利用する蒸発器としての空気熱源熱交換器１５を第２冷媒配管１６で環状に接続した第２ヒートポンプ回路１７と、放熱端末２３と、放熱端末２３で放熱する熱媒を循環させる加熱循環ポンプ２４を有する加熱循環回路２５とを設け、放熱端末２３による暖房運転を行うものであって、加熱循環回路２５に第１加熱熱交換器６と第２加熱熱交換器１２を直列に接続した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、複数の熱源を利用するヒートポンプ装置に関するものである。

従来この種のヒートポンプ装置において、図２に示すように、ヒートポンプユニット１０１は、圧縮機１０２、凝縮器としての加熱熱交換器１０３、膨張弁１０４、蒸発器としての熱源熱交換器１０５とを備えており、熱源熱交換器１０５は空気熱を熱源として利用する空気熱源熱交換器１０６と、地中熱を熱源として利用する地中熱源熱交換器１０７とによって構成され、圧縮機１０２と加熱熱交換器１０３と膨張弁１０４と空気熱源熱交換器１０６を冷媒配管１０８で環状に接続した第１ヒートポンプ回路１０９と、圧縮機１０２と加熱熱交換器１０３と膨張弁１０４と地中熱源熱交換器１０７を冷媒配管１０８で環状に接続した第２ヒートポンプ回路１１０とを形成するものである。

１１１は膨張弁１０４と熱源熱交換器１０５との間の冷媒配管１０８に設けられ冷媒の流れを切り替える切替弁で、この切替弁１１１の切替作動により地中熱源熱交換器１０７側を閉じた場合は、空気熱源熱交換器１０６側に冷媒が流れ、第１ヒートポンプ回路１０９が形成されて外気より採熱し、空気熱源熱交換器１０６側を閉じた場合は、地中熱源熱交換器１０７側に冷媒が流れ、第２ヒートポンプ回路１１０が形成されて地中より採熱するものである。

１１２は空気熱源熱交換器１０６に送風する送風ファン、１１３は地中に埋設された地中熱交換器、１１４は地中熱交換器１１３と地中熱源熱交換器１０７との間を地中熱配管１１５で環状に接続した地中熱循環回路、１１６は地中熱循環回路１１４に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプ、１１７は負荷端末、１１８は負荷端末１１７に熱媒を循環させ、途中に加熱熱交換器１０３が接続された加熱循環回路、１１９は加熱循環回路１１８に熱媒を循環させる加熱循環ポンプ、１２０は外気温度を検出する外気温センサで、外気温センサ１２０の検出する外気温度が高い場合は、切替弁１１１は地中熱源熱交換器１０７側を閉じて空気熱源熱交換器１０６側に冷媒を流し、空気熱源熱交換器１０６を蒸発器、加熱熱交換器１０３を凝縮器として機能させ、熱源としては採熱効率のよい空気熱を利用し、外気温センサ１２０の検出する外気温度が低い場合には、切替弁１１１は空気熱源熱交換器１０６側を閉じて地中熱源熱交換器１０７側に冷媒を流し、地中熱源熱交換器１０７を蒸発器、加熱熱交換器１０３を凝縮器として機能させ、熱源として採熱効率のよい地中熱を利用して、負荷端末１１７で給湯水を加熱する沸き上げ運転を行うものがあり（例えば、特許文献１参照。）、さらに、負荷端末１１７として床暖房パネル等を設置すれば、被空調空間の空気を加熱する暖房運転を行うことができるものであった。

特開２００６−１２５７６９号公報

ところで、この従来のヒートポンプ装置において、前記暖房運転を行う場合は、外気温度に応じて、採熱効率のよい空気熱源熱交換器１０６または地中熱源熱交換器１０７のどちらか一方の熱源を利用して負荷側を加熱するものであるが、空気熱源熱交換器１０６または地中熱源熱交換器１０７のどちらか一方の熱源しか利用できないため、冬季等の低外気温時に負荷端末１１７の暖房出力が大きくなると、所望の暖房出力を得ることができない場合が生じるという問題を有するものであった。

この発明は上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、第１圧縮機、凝縮器としての第１加熱熱交換器、第１減圧手段、地中熱を利用する蒸発器としての地中熱源熱交換器を第１冷媒配管で環状に接続した第１ヒートポンプ回路と、第２圧縮機、凝縮器としての第２加熱熱交換器、第２減圧手段、空気熱を利用する蒸発器としての空気熱源熱交換器を第２冷媒配管で環状に接続した第２ヒートポンプ回路と、放熱端末と、該放熱端末で放熱する熱媒を循環させる加熱循環ポンプを有する加熱循環回路とを設け、前記放熱端末による暖房運転を行うものであって、前記加熱循環回路に前記第１加熱熱交換器と前記第２加熱熱交換器を直列に接続するものとした。

この発明の請求項１によれば、加熱循環回路に第１ヒートポンプ回路の第１加熱熱交換器と第２ヒートポンプ回路の第２加熱熱交換器を直列に接続したことで、暖房出力が小さい場合は、地中熱を利用する第１ヒートポンプ回路のみを作動させての暖房運転または空気熱を利用する第２ヒートポンプ回路を作動させての暖房運転のうち、熱源として採熱効率のよい方を選択して効率のよい暖房運転を行わせることができると共に、暖房出力が大きい場合は、第１ヒートポンプ回路および第２ヒートポンプ回路の双方を作動させての暖房運転を行わせて、所望の暖房出力を得ることができるものである。

この発明のヒートポンプ装置の一実施形態の概略構成図。 従来のヒートポンプ装置の概略構成図。

次に、この発明のヒートポンプ装置の一実施形態について図面に基づき説明する。
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ装置は、大きく分けて地中熱ヒートポンプユニット１と、空気熱ヒートポンプユニット２と、地中熱交換部３と、加熱熱交換部４とから構成されるものである。

前記地中熱ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する能力可変の第１圧縮機５と、第１圧縮機５から吐出された高温冷媒を流通させ、この高温冷媒と加熱熱交換部４の熱媒との熱交換を行う第１凝縮器としての第１加熱熱交換器６と、第１加熱熱交換器６から流出する冷媒を減圧する第１減圧手段としての第１膨張弁７と、第１膨張弁７によって減圧された低温冷媒と地中熱交換部３の熱源側の熱媒との熱交換を行う第１蒸発器としての地中熱源熱交換器８とを備え、これらを第１冷媒配管９で環状に接続して第１ヒートポンプ回路１０を形成しているものである。また、地中熱ヒートポンプユニット１の冷媒としては、二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。

前記空気熱ヒートポンプユニット２は、冷媒を圧縮する能力可変の第２圧縮機１１と、第２圧縮機１１から吐出された高温冷媒を流通させ、この高温冷媒と加熱熱交換部４の熱媒との熱交換を行う第２凝縮器としての第２加熱熱交換器１２と、第２加熱熱交換器１２から流出する冷媒を減圧する第２減圧手段としての第２膨張弁１３と、第２膨張弁１３によって減圧された低温冷媒と送風ファン１４から送風される空気との熱交換を行う第２蒸発器としての空気熱源熱交換器１５とを備え、これらを第２冷媒配管１６で環状に接続して第２ヒートポンプ回路１７を形成しているものである。なお、１８は外気温度を検出する外気温センサである。

前記地中熱交換部３は、地中熱源熱交換器８と、地中に設置された地中熱交換器１９と、地中熱源熱交換器８と地中熱交換器１９とを地中熱配管２０で環状に接続する地中熱循環回路２１と、地中熱循環回路２１に熱媒としての不凍液を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプ２２とを備えているものである。

ここで、前記地中熱交換部３では、地中熱交換器１９によって地中から地中熱を採熱しその熱を帯びた不凍液が、地中熱循環ポンプ２２により地中熱源熱交換器８に供給され、そして、地中熱源熱交換器８にて冷媒と不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１９にて採熱された地中熱が第１ヒートポンプ回路１０の冷媒側に汲み上げられて冷媒が加熱されるものである。

また、前記加熱熱交換部４は、被空調空間を加熱する床暖房パネルやパネルコンベクター等の放熱端末２３と、放熱端末２３で放熱する熱媒としての循環液を循環させる加熱循環ポンプ２４を有する加熱循環回路２５と、放熱端末２３毎に分岐した加熱循環回路２５に各々設けられ、その開閉により放熱端末２３への循環液の供給を制御する熱動弁２６（２６ａ、２６ｂ）とを備え、加熱循環回路２５に、前記第１凝縮器としての第１加熱熱交換器６と前記第２凝縮器としての第２加熱熱交換器１２とが直列に接続され、加熱循環回路２５を循環する熱媒を加熱する構成とされており、加熱循環回路２５を循環する熱媒は、第１加熱熱交換器６を流通した後で第２加熱熱交換器１２を流通し、放熱端末２３に供給されるものである。

２７は各温度センサの入力やリモコン（図示せず）からの信号を受けて、第１圧縮機５、第１膨張弁７、地中熱循環ポンプ２２、加熱循環ポンプ２４の各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有する地中熱ヒートポンプ制御手段、２８は地中熱ヒートポンプ制御手段２７と通信可能に接続され、各温度センサの入力やリモコン（図示せず）からの信号を受けて、第２圧縮機１１、第２膨張弁１３、送風ファン１４の各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有する空気熱ヒートポンプ制御手段である。

次に、一実施形態のヒートポンプ装置の動作について説明する。
前記放熱端末２３によって加熱される被空調空間には、リモコン（図示せず）が各々設置されており、このリモコンにより被空調空間の加熱の指示がなされると、前記地中熱ヒートポンプ制御手段２７および空気熱ヒートポンプ制御手段２８は外気温センサ１８の検出する外気温度に基づき、地中熱を利用する地中熱ヒートポンプユニット１の第１ヒートポンプ回路１０を作動させるか、空気熱を利用する空気熱ヒートポンプユニット２の第２ヒートポンプ回路１７を作動させるかを判断し、熱源として採熱効率のよい方を選択するものであり、春季や秋季のように、外気温度がそれほど低くなく放熱端末２３の暖房出力が小さい場合は、空気熱ヒートポンプユニット２を選択し、空気熱ヒートポンプ制御手段２８が、第２圧縮機１１、第２膨張弁１３、送風ファン１４の駆動を開始させ、空気熱を利用する第２ヒートポンプ回路１７を作動させると共に、地中熱ヒートポンプ制御手段２７が加熱循環ポンプ２４の駆動を開始させ、放熱端末２３による暖房運転が開始されるものである。

前記第２ヒートポンプ回路１７のみを作動させての暖房運転時には、蒸発器である空気熱源熱交換器１５で、第２膨張弁１３によって減圧された低温冷媒と送風ファン１４から送風される空気との熱交換が行われ、空気の熱が第２ヒートポンプ回路１７の冷媒側に汲み上げられ、凝縮器である第２加熱熱交換器１２で、第２圧縮機１１から吐出された高温冷媒と加熱循環回路２５を循環する熱媒とが対向して流れて熱交換が行われ、加熱循環回路２５を循環する熱媒が加熱され、加熱された熱媒が熱動弁２６を介して放熱端末２３に送られ、リモコンにより指示された被空調空間を加熱するものである。なお、前記第２ヒートポンプ回路１７のみを作動させての暖房運転時、加熱循環回路２５を循環する熱媒は、第１加熱熱交換器６も通過することになるが、この時、地中熱を利用する地中熱ヒートポンプユニット１の第１ヒートポンプ回路１０は作動していないため、第１加熱熱交換器６では加熱されることなく通過して第２加熱熱交換器１２へ循環されるものである。

一方、冬季のように、外気温度が低い時に、リモコンにより被空調空間の加熱の指示がなされると、前記地中熱ヒートポンプ制御手段２７および空気熱ヒートポンプ制御手段２８は外気温センサ１８の検出する外気温度に基づき、熱源として採熱効率のよい地中熱を利用する地中熱ヒートポンプユニット１を選択し、地中熱ヒートポンプ制御手段２７が、第１圧縮機５、第１膨張弁７、地中熱循環ポンプ２２の駆動を開始させ、地中熱を利用する第１ヒートポンプ回路１０を作動させると共に、加熱循環ポンプ２４の駆動を開始させ、放熱端末２３による暖房運転が開始されるものである。

前記第１ヒートポンプ回路１０のみを作動させての暖房運転時には、地中熱交換部３で、地中熱交換器１９によって地中と熱交換して地中熱を採熱し、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ２２により地中熱源熱交換器８に供給される。そして、蒸発器である地中熱源熱交換器８にて、第１膨張弁７によって減圧された低温冷媒と地中熱循環回路２１を循環する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１９にて採熱された地中の熱が第１ヒートポンプ回路１０の冷媒側に汲み上げられ、凝縮器である第１加熱熱交換器６で、第１圧縮機５から吐出された高温冷媒と加熱循環回路２５を循環する熱媒とが対向して流れて熱交換が行われ、加熱循環回路２５を循環する熱媒が加熱され、加熱された熱媒が熱動弁２６を介して放熱端末２３に送られ、リモコンにより指示された被空調空間を加熱するものである。なお、前記第１ヒートポンプ回路１０のみを作動させての暖房運転時、加熱循環回路２５を循環する熱媒は、第２加熱熱交換器１２も通過することになるが、この時、空気熱を利用する空気熱ヒートポンプユニット２の第２ヒートポンプ回路１７は作動していないため、第１加熱熱交換器６で加熱された後の熱媒は、第２加熱熱交換器１２では加熱されることなく通過するものである。

また、上記のように、外気温度が低い時であって、熱源として採熱効率のよい地中熱を利用する第１ヒートポンプ回路１０を作動させての暖房運転において、放熱端末２３の暖房出力が小さい場合は、第１ヒートポンプ回路１０のみを作動させて、所望の暖房出力を得るものであるが、外気温度がさらに低下する等して、放熱端末２３による暖房出力が大きくなり、第１ヒートポンプ回路１０のみの作動では所望の暖房出力を得られない場合は、空気熱ヒートポンプ制御手段２８が、第２圧縮機１１、第２膨張弁１３、送風ファン１４の駆動を開始させ、空気熱を利用する第２ヒートポンプ回路１７を作動させ、第１ヒートポンプ回路１０および第２ヒートポンプ回路１７の双方を作動させての暖房運転が行われるものである。

前記第１ヒートポンプ回路１０および第２ヒートポンプ回路１７の双方を作動させての暖房運転時には、第１ヒートポンプ回路１０において、蒸発器である地中熱源熱交換器８にて、第１膨張弁７によって減圧された低温冷媒と地中熱循環回路２１を循環する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１９にて採熱された地中の熱が第１ヒートポンプ回路１０の冷媒側に汲み上げられ、凝縮器である第１加熱熱交換器６で、第１圧縮機５から吐出された高温冷媒と加熱循環回路２５を循環する熱媒とが対向して流れて熱交換が行われ、加熱循環回路２５を循環する熱媒が加熱されると共に、第２ヒートポンプ回路１７において、蒸発器である空気熱源熱交換器１５で、第２膨張弁１３によって減圧された低温冷媒と送風ファン１４から送風される空気との熱交換が行われ、空気の熱が第２ヒートポンプ回路１７の冷媒側に汲み上げられ、凝縮器である第２加熱熱交換器１２で、第２圧縮機１１から吐出された高温冷媒と加熱循環回路２５を循環する熱媒とが対向して流れて熱交換が行われ、加熱循環回路２５を循環する熱媒が加熱され、加熱循環回路２５を循環する熱媒は、第１加熱熱交換器６で加熱された後、第２加熱熱交換器１２でも加熱され、熱動弁２６を介して放熱端末２３に送られ、リモコンにより指示された被空調空間を加熱するものである。

このように、前記加熱循環回路２５に第１ヒートポンプ回路１０の第１加熱熱交換器６と第２ヒートポンプ回路１７の第２加熱熱交換器１２を直列に接続したことで、暖房出力が小さい場合は、外気温度に基づいて、地中熱を利用する地中熱ヒートポンプユニット１の第１ヒートポンプ回路１０のみを作動させての暖房運転または空気熱を利用する空気熱ヒートポンプユニット２の第２ヒートポンプ回路１７を作動させての暖房運転のうち、熱源として採熱効率のよい方を選択して効率のよい暖房運転を行わせることができると共に、暖房出力が大きい場合は、第１ヒートポンプ回路１０および第２ヒートポンプ回路１７の双方を作動させての暖房運転を行わせて、所望の暖房出力を得ることができるものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものでなく、本実施形態では、地中熱ヒートポンプユニット１と空気熱ヒートポンプユニット２との２つのヒートポンプユニットを設けているが、１つのヒートポンプユニットを設け、そのヒートポンプユニット内に第１ヒートポンプ回路１０、第２ヒートポンプ回路１７、地中熱循環ポンプ２２、加熱循環ポンプ２４を備えたものであってもよく、さらに地中熱ヒートポンプ制御手段２７と空気熱ヒートポンプ制御手段２８との２つの制御手段も１つのヒートポンプ制御手段として、各温度センサの入力やリモコンからの信号を受けて、第１圧縮機５、第１膨張弁７、第２圧縮機１１、第２膨張弁１３、送風ファン１４、地中熱循環ポンプ２２、加熱循環ポンプ２４の各アクチュエータの駆動を制御するようにしてもよいものである。

また、本実施形態では、第１加熱熱交換器６および第２加熱熱交換器１２は、加熱循環回路２５を循環する熱媒の流れに対して、加熱循環回路２５に第１加熱熱交換器６、第２加熱熱交換器１２の順に直列に接続されているが、第１加熱熱交換器６および第２加熱熱交換器１２を、加熱循環回路２５を循環する熱媒の流れに対して、加熱循環回路２５に第２加熱熱交換器１２、第１加熱熱交換器６の順に直列に接続してもよいものである。

また、本実施形態では、地中熱交換器１９を１本だけ地中に設置しているが、地中熱交換器１９は地中に複数設置されていてもよく、その複数の地中熱交換器１９は互いに並列に接続されていてもよく、直列に接続されていてもよいものである。

また、本実施形態では、地中熱交換器１９を地中に設置するものとし、地中熱交換器１９は地中に直接埋設され地中熱を採熱しているが、地中熱交換器１９を井戸の中に設置し、地中熱によって温められた井戸水から採熱するものも地中熱交換器１９を地中に設置するものに含まれるものである。

５ 第１圧縮機
６ 第１加熱熱交換器
７ 第１膨張弁
８ 地中熱源熱交換器
９ 第１冷媒配管
１０ 第１ヒートポンプ回路
１１ 第２圧縮機
１２ 第２加熱熱交換器
１３ 第２膨張弁
１５ 空気熱源熱交換器
１６ 第２冷媒配管
１７ 第２ヒートポンプ回路
２３ 放熱端末
２４ 加熱循環ポンプ
２５ 加熱循環回路

Claims (1)

1. 第１圧縮機、凝縮器としての第１加熱熱交換器、第１減圧手段、地中熱を利用する蒸発器としての地中熱源熱交換器を第１冷媒配管で環状に接続した第１ヒートポンプ回路と、第２圧縮機、凝縮器としての第２加熱熱交換器、第２減圧手段、空気熱を利用する蒸発器としての空気熱源熱交換器を第２冷媒配管で環状に接続した第２ヒートポンプ回路と、放熱端末と、該放熱端末で放熱する熱媒を循環させる加熱循環ポンプを有する加熱循環回路とを設け、前記放熱端末による暖房運転を行うものであって、前記加熱循環回路に前記第１加熱熱交換器と前記第２加熱熱交換器を直列に接続したことを特徴とするヒートポンプ装置。

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